Proceeding 5th Conference of Piping Engineering and its Application Program Studi D4 Teknik Perpipaan – Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya ISBN No. Analisa Tegangan Sustained Load dan Nozzle Load dari Tie-In Point Existing Menuju Inlet New Knock Out Drum Wahono Krismantono1*, Heroe Poernomo2, Pekik Mahardhika3 Program Studi D-IV Teknik Perpipaan, Jurusan Teknik Permesinan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, Indonesia1* Program Studi D-IV Teknik Perpipaan, Jurusan Teknik Permesinan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, Indonesia2 Program Studi D-IV Teknik Perpipaan, Jurusan Teknik Permesinan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, Indonesia3 Email: kriswahono56@gmail.com1*; heroe_p@poltera.ac.id2*; pekikmahardhika@ppns.ac.id3*; Abstract – Refenery Unit is a plant intended to produce fuel oil, along with the continuing need for oil, the Refenery Unit facility needs to be developed "EPC RELOCATION FLARE BPP II AND NEW FLARE HCC" is one of the production facility development projects. The location at the old flare point will be used for development, and the flare will be moved to a place that does not belong to the Refenery Unit development site. One of the facilities piping system that rebuilts is knock out drum, by connecting existing pipe use tie-in method to inlet new knock out drum. This pipeline has 6 line numbers diameter of 12" with a design temperature of 200° C and a design pressure 49,78 psi, therefore the load received by the pipe is very large so that it needs proper calculations and simulations by computer. Stress analysis in this case focuses on static stress analysis, flexibility, and allowable pipe span of the pipe which includes stress due to sustained load, and nozzle load. From the above problems analyzed by comparing manual calculation with running results on CAESAR II software so that the stress value can be determined according to the limits of ASME B31.3. The results of manual calculations show the sustained loads and CAESAR II software show the sustained loads and nozzle loads on the piping system is below the allowable limit value. So, from the results of the analyzed calculations or CAESAR II software states that the piping system is safe when operating. Keywords : nozzle load, pipe flexibility, allowable pipe span , sustained load, nozzle load 1. PENDAHULUAN EPC RELOKASI FLARE BPP II DAN NEW FLARE HCC merupakan salah satu project di area keja PT Pertamina Refenery Unit (RU) berlokasikan di Balikpapan. Kalimantan Timur. Pertamina RU V Balikpapan sedang melakukan pengembangan fasilitas pengolahan minyak di lokasi Refenery Unit V dengan tujuan meningkatkan kapasitas produksi. Sejalan dengan pengembangan fasilitas produksi terdapat beberapa area yang akan di tempati unit baru terdapat flare stack yang akan dipindahkan, karena lokasi tersebut akan digunakan area perluasan peningkatan produksi. Pemindahan tersebut menambahkan jalur pipa, knock out drum, pompa serta equipment-equipment yang akan dibutuhkan untuk menyelesaikan pembangunan flare yang baru. Jalur pipa yang baru akan di sambungkan dengan jalur existing dengan metode Tie in point. Dalam tahap perancangan sistem perpipaan perlu dilakukan perhitungan yang kompleks untuk menjaga dan menjamin agar sistem perpipaan aman pada saat beroperasi. Salah satu perhitungan engineering yang vital dan menentukan keberhasilan suatu sistem perpipaan adalah perhitungan peletakan support dan analisa tegangan pipa (pipe stress analysis). Pipe stress analysis adalah suatu metode terpenting untuk meyakinkan dan menetapkan secara numerik bahwa sistem perpipaan dalam engineering adalah aman. Dalam analisa bahwa beban terjadi karena adanya pengaruh perlakuan beban statik dan perlakuan beban dinamik. Pemasangan support (penyangga) adalah hal yang paling penting agar pengaruh pembebanan (statik dan dinamik) selama operasi sistim perpipaan tidak mengalami kegagalan atau kerusakan. [2] Berdasarkan ASME 31.3, lingkup kerja yang dikembangkan pada code ini meliputi petroleum refineries plant, chemical plant, pharmaceutical, textile, paper, semiconductor, and cryogenic plants, atau berkenaan dengan pabrik pengolahan lainnya [1]. Line pipe dari tie in point menuju knock out drum merupakan proses utama pada proyek relokasi flare sehingga desain line perancangan harus diperhitungkan. Analisa nozzle pada Inlet Knock Out Drum menggunakan analisa nozzle load. Pada analisa nozzle ini juga bergantung pada perancangan line Knock Out Drum menggunakan bantuan software CAESAR II 2018. 2. METODOLOGI 2.1 Panjang Artikel Proses pengerjaan Tugas Akhir dimulai dengan mengidentifikasi topik dan merumuskan masalah dari topik yang dipilih, dilanjutkan dengan penentuan dari pembuatan Tugas Akhir. Pengumpulan referensi dan data yang dikaji dalam proses pembuatan Tugas Akhir didapatkan dari data perusahaan dan studi literatur. 54 Proceeding 5th Conference of Piping Engineering and its Application Program Studi D4 Teknik Perpipaan – Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya Setelah mendapatkan data untuk Pengerjaan Tugas Akhir dilanjutkan dengan pengolahan data dengan tahapan berikut: 1) Perhitungan allowable span optimal berdasarkan limitation allowable deflection dan limitation of stress dan penentuan jenis support yang digunakan. 2) Perhitungan tegangan Sustained load 3) Perhitungan besarnya gaya dan momen nozzle akibat operation load dan sustain load yang terjadi pada critical line. ISBN No. C B A Tidak Nilai Tegangan Lebih kecil dari batasan ASME B31.3 Ya Tidak Analisa Nozzle Load Menggunakan Software Caesar II Sesuai Dengan Batasan Owner Ya Analisa dan Rekomendasi Tahap Pengolahan Data Tahap Analisa dan Kesimpulan Kesimpulan dan Saran Selesai Gambar 1b. Diagram alir penelitian 2.2 Formula Matematika 2.2.1 Allowable Span L= L= √0.4ππβ π€ √βπΈπΌ 13.5 π€ Limitation of stress (1) Limitation of deflection (2) Keterangan: L = allowable pipe span (in) Z = section modulus (in3) Sh = allowable tensile stress pada temperatur tinggi (lb/in2) W = berat total pipa (lb/in) E = Modulus Elastisitas (lb/in2) 2.2.2 Jumlah Pipe Support Jumlah support = Gambar 1a. Diagram alir penelitian πππππππ ππππ πππ₯πππ’π πππππ€ππππ π πππ (3) 2.2.3 Analisa Flexibilitas Pipa ASME B31.3 memberikan sebuah rumus sederhana yang dapat digunakan sebagai dasar apakah sebuah kalkulasi formal dari tegangan akibat ekspansi termal pada sistem perpipaan diperlukan atau tidak. Bila ternyata dari hasil perhitungan didapat > K1, maka analisis formal diperlukan, namun bila hasil perhitungan menyatakan ≤ K1, maka tidak diperlukan analisis formal, dan perhitungan tegangan tetap dilakukan namun tidak mendetail. π«π.βπ³ (π³−πΌ) ≤ π²π (4) Dimana: do = Diameter luar pipa (m) Δl = Pemuaian yang harus diserap pipa (mm) L = Panjang semua pipa antara dua ankor (m) U = Jarak langsung antar dua ankor (m) K1 = 208.3 55 Proceeding 5th Conference of Piping Engineering and its Application Program Studi D4 Teknik Perpipaan – Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya 2.2.3 Sustained Load Sustained load adalah beban akibat berat pipa,beart fluida,tekanan dlam pipa,tekanan luar,pengaruh angin dan gempa serta beban dari salju yang menimpa pipa.Sustained load merupakan tegangan primer yang menyebabkan kegagalan katastrofis.Tegangan Longitudinal merupakan jumlah dari Tegangan Aksial (Axial stress), Tegangan Tekuk (Bending stress) dan Tegangan Tekanan (Pressure Stress). Mengenai ketiga tegangan ini dapat diuraikan berikut ini. ππΌπ₯ = ππ = ππ₯π΄π (5) π΄π ππΆ πππ = πΌ ππ΄π π΄π (6) = πππ² ππ²−ππ² = πππ² 4π‘ππ = πππ 4π‘ (7) Keterangan : P = Gaya tekan internal (lb/in2) I = Momen inersia penampang (in4) M = Momen bending (in-lb) C = Jarak dari netral axis (in) Ai = Luas permukaan dalam pipa (in2) Am = Luas rata-rata permukaan pipa (in2) t = Tebal pipa (in) 2.3 Modelling Caesar II 2018 Caesar II merupakan perangkat lunak yang digunakan untuk analisa tegangan pipa yang tersedia sekarang dan pada umumnya menggunakan metode kekakuan [10]. 2.4 Evaluasi beban nozzle Beban sebenarnya (aktual) yang terjadi pada nozzle berdasarkan hasil analisa suatu sistem perpipaan dapat dikatakan aman apabila beban tersebut dapat diterima atau berada pada zona ambang batas beban yang diperkenankan yang telah ditetapkan oleh standar API 610 untuk pompa dan WRC 297 untuk bejana (vessel) [8]. Batasan beban (gaya dan momen) yang terjadi pada nozzle equipment akibat beban operating dan Sustain load sistem perpipaan [9]. 2.5 Kode dan Standart Perpipaan Kegiatan perekayasaan untuk memperoleh perilaku sistem pipa ini dikenal sebagai analisis tegangan pipa atau dahulu disebut juga analisis fleksibilitas [4]. Kode dan standart perpipaan adalah satu set persyaratan minimum yang harus digunkan pada setiap sistem perpipaan yang dibangun agar aman. Standart mencantumkan spesifikasi material yang diizinkan, rancang fabrikasi yang diterima, serta persyartan dan prosedur inspeksi [5]. Pada saat ini ada beberapa bbuah kode standart dari komite B31 ini yang sering di pakai sebagai acuan di Indonesia sesuai kebutuhan bidang industri,yaitu: ο· ο· ο· ο· ο· ISBN No. ASME/ANSI B31.1 untuk sistem perpipaan di industry pembangkit listrik; ASME/ANSI B31.3 untuk sistem perpipaan di industry proses dan petrokimia; ASME/ANSI B31.4 untuk pipa transport minyak dan zat cair lainnya; ASME/ANSI B31.5 untuk sistem perpipaan pendingin; ASME/ANSI B31.8 untuk pipa transport gas. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Jarak Antar Penyangga (Support) Dengan mengasumsikan sebagai simply supported beam maka persamaan yang digunakan berdasarkan batasan tegangan atau batasan defleksi. Dalam pengerjaan ini digunakan persamaan (1) dan (2) Dalam pengerjaan perhitungan Allowable pipe span adalah sebagai berikut. 1 Berat Pipa = π₯ππ₯(ππ 2 ππ 2 )π₯ππππ ππ‘π¦ πππππ₯12 4 1 = π₯ππ₯(12.752 − 11.932 )π₯0.283 x 12 4 = 53.582 lb/ft 1 Berat Fluida = π₯ππ₯(ππ 2 )π₯ππππ ππ‘π¦ πππ’πππ x 12 4 1 = π₯ππ₯(11.93)π₯π₯0.00002735 x 12 4 = 0.037 lb/ft Berat Total = Berat Pipa + Berat Fluida = 53.582 + 0.037 = 53.619 lb/ft 0.4π₯ππ₯πβ Based on limitation of stress = √ π 0.4π₯47.1π₯2997.5 =√ 54.619 = 102.665 ft = 31.196 m 4 =√ ( Based on limitation of βπΈπΌ 13.5 π 4 0.625π₯29384769π₯400 allowable deflection) = √ 13.5π₯ 53.619 = 56.336 ft = 17.215 m Pada perhitungan maksimum allowable pipe span line number maka memiliki maksimum allowable pipe span 17.215 m. Untuk allowable span pada line number agar mencapai parameter keamanan pemasangan pipe support tidak diletakkan pada jarak maksimum allowable pipe span. Hal ini tentu sebagai safety factor untuk pertimbangan agar tidak terjadi over stress walaupun sudak masuk dalam jarak allowable nya. Dalam hal ini untuk pemasangan pipe support untuk masing-masing line number dengan ukuran pipa 12” dan menggunakan jarak kurang dari jarak maksimum allowable pipe span. 56 Proceeding 5th Conference of Piping Engineering and its Application Program Studi D4 Teknik Perpipaan – Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya (6). Dan hasil perhitungan manual tertera pada tabel 1, untuk perhitungan software tertera pada table 2. 3.2 Perhitungan Jumlah Support Jumlah support = = ISBN No. πππππππ ππππ πππ₯πππ’π πππππ€ππππ π πππ 371.5 Tabel 1: Perhitungan beban sustain manual Segme n 17.215 = 22 support 3.2 Analisa Flexibilitas Pipa Lpipa arah sumbu x = 982.27365 ft Lpipa arah sumbu y = 22.775591 ft Lpipa arah sumbu z = 213.75001 ft Lpipa arah sumbu x+y+z = 1219.799 ft SA = 29977 psi ( Paragraph 302.3.5 ASME B31.3 (2016) dan interpolasi ) EA = 29384769 psi (Table C-6, ASME B31.3 (2016) dan Interpolasi) Koef B (Table C-1 Asme B31.3 2016) pada suhu 392 = 2.728 .in/100 ft Perhitungan : displacement X direction (ΔX) (in) = L pipa arah X x koefisien B thermal expansion = 982.27365 ft x 2.728 in/100ft = 26.769 in displacement Y direction (ΔY) (in) = L pipa arah Y x koefisien B thermal expansion = 22.775591 ft x 2.728 in/100ft = 0.621 in displacement Z direction (ΔZ) (in) = L pipa arah Z x koefisien B thermal expansion = 213.750011 ft x 2.728 in/100ft = 213.75 in Resultant jarak anchor ke anchor (Y) = √Δπ² + Δπ² + Δπ² 78 74 64 58 55 53 44 Nod e 120130 180190 290300 350360 380390 400410 490500 Axial Stress lb./sq.i n. Bendin g Stress lb./sq.i n. Torsion Stress lb./sq.i n. 353,05 718 390,92 353,05 535,4 390,92 353,05 2002,8 390,92 353,05 413,3 390,92 353,05 656,9 390,92 353,05 961,9 390,92 353,05 331,3 390,92 Code Stress lb./sq.i n. 1461,9 7 1279,3 7 2746,7 7 1157,2 7 1400,8 7 1705,8 7 1075,2 7 Allowabl e Stress lb./sq.in. 19908 19908 19908 19908 19908 19908 19908 Tabel 2: Perhitungan beban sustain software Segme n Axial Stress lb./sq.i n. Bendin g Stress lb./sq.i n. Torsio n Stress lb./sq.i n. Hoop Stress lb./sq.i n. Code Stress lb./sq.i n. Allowab le Stress lb./sq.in . 81 685,9 644,5 39,1 1412,5 1332,7 19908 80 695,5 533 166,7 1412,5 1272,9 19908 79 693,1 1510 201,2 1412,5 1869,4 19908 78 693,1 2283,9 -201,2 1412,5 3004 19908 77 692,6 1410,2 -148,6 1412,5 1775,3 19908 76 693,5 2283,8 148,6 1412,5 2992,2 19908 75 693,5 486 -148,6 1412,5 1216,4 19908 = √26.769² + 0.621² + 213.75² = 27.431 in Do = 12.75 in U = √L pipa arah X 2 + L pipa arah Y 2 + L pipa arah Z2 = √982.273652 + 213.750011 2 + 22.775591 2π = 306.5 ft π·π.π (πΏ−π)² ≤ πΎ1 ( 30 πa /πΈa ) 12.75 π₯ 27.431 (1218.799 −306.5)² ≤ 30 x ( 29977 29384769 ) 0.007 ≤ 0.031 Karena hasil dari perhitungan fleksibilitas pipa ≤ K1, maka sistem perpipaan pada line number 319-VF-11-12”-B6B-ST-40 tersebut sudah cukup fleksibel untuk menyerap ekspansi akibat perubahan temperatur yang terjadi. Perhitungan tegangan akibat beban ekspansi termal dengan menggunakan CAESAR II 2018 dilakukan hanya untuk memastikan keamaan dari sistem perpipaan tersebut. Gambar 2. Grafik perbandingan perhitungan beban sustain dengan allowable 3.4 Evaluasi beban nozzle menggunakan software CAESAR II Pemodelan beban nozzle pada sistem perpipaan di Perusahaan pengolahan minyak yang lokasinya terdapat di Kalimantan adalah line number 319-VF-11-12”-B6B-ST-40 dengan diameter nozzle adalah 12 inch menggunakan bantuan software CAESAR II. Beban yang terjadi diakibatkan oleh beban operation dan beban sustained yang ditunjukkan pada gambar 3 berikut. 3.2 Beban sustain (Sustained Load) Nilai tegangan sustain pada sistem perpipaan dapat dihitung dengan menggunakan rumus (4), (5), 57 Proceeding 5th Conference of Piping Engineering and its Application Program Studi D4 Teknik Perpipaan – Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya ISBN No. Gambar 3. Pemodelan Nozzle pada Software CAESAR II Tabel 3: Load Case Restaint beban ope dan sustained Load Case 4(OPE) 7(SUS) Gambar 5. Detail 2 Pemodelan CAESAR Fx Fy Fz Mx My Mz lb lb lb lb.ft lb.ft lb.ft 180,24 287,38 177,51 340,97 623,19 335,73 8 -154 -12 1216,1 -171,4 709,9 Tabel 4: Perbandingan antara nilai batasan dan nilai beban nozzle Allowable load 172 80 288 00 Maximum load 180 -287 Allowable load 176 3 293 9 Ration 10,21 % Status PASS 224 60 172 80 283 40 224 60 -342 -624 336 229 2 176 3 289 2 229 2 9,77% 7,72% 19,37 % 21,59 % 14,67 % PASS PASS PASS PASS PASS -177 Gambar 6. Detail 3 Pemodelan CAESAR Dari hasil running software berdasarkan table 2 tersebut didapatkan nilai resultan gaya saat kondisi operation dan sustained pada N1 (inlet KOD) dengan membandingkan kedua nilai resultan gaya pada saat operation dan allowable nozzle load serta sustained dan allowable nozzle load. Dapat dilihat pada table 3. Gambar 7. Detail 4 Pemodelan CAESAR 3.4 Pemodelan Software Caesar Pemodelan software Cesar pada sistem perpipaan dapat dilihat pada Gambar 4 sampai dengan gambar 8. Gambar 8. Detail 5 Pemodelan CAESAR Gambar 4. Pemodelan CAESAR keseluruhan 4. KESIMPULAN Berdasarkan hasil analisa yang telah dilakukan, maka dapat diambil kesimpulan antara lain sebagai berikut : 1.Dari perhitungan didapatkan hasil batas maksimal span yang diperbolehkan dipilih dari hasil terkecil antara Based on limitation of stress 31.196 m dan Based on limitation of allowable deflection 17.215 m, Jadi jarak span yang diijinkan maksimal 17.215 m. Sedangkan jarak terpanjang pada sistem perpipaan adalah 11 m. Sehingga jarak span pada 58 Proceeding 5th Conference of Piping Engineering and its Application Program Studi D4 Teknik Perpipaan – Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya sistem perpipaan masih aman tidak melebihi batasan maksimal span. 2. Nilai fleksibilitas pipa yang terjadi pada sistem perpipaan sebesar 0.007 dengan batasan maksimum 0.031 sehingga sistem dapat disimpulkan bahwa sistem perpipaan tersebut masih cukup fleksibel untuk menyerap ekspansi akibat perubahan temperature yang terjadi. 3.Pada perhitungan beban sustain manual pada segmen 78 (node 120-130) 1461.97 lb/in2 yang mana masih di bawah allowable stress. Sedangkan allowable stress untuk sustained load sebesar 19908 lb/in2. Sehingga beban masih dibawah allowable stress yang diijinkan. 4.Pada perhitungan beban sustain software pada segmen 81 1332,7 lb/in2 yang mana masih di bawah allowable stress. Sedangkan allowable stress untuk sustained load sebesar 19908 lb/in2. Sehingga beban masih dibawah allowable stress yang diijinkan. 5. Nilai beban gaya dan momen nozzle tertinggi yang terjadi pada nozzle N1 sistem perpipaan yaitu pada saat kondisi operasi dengan resultan gaya pada sumbu Fx, Fy, dan Fz sebesar 180 lb, 287 lb, dan 178 dengan allowable nozzle load sebesar 1763 lb, 2939 lb, dan 2292 lb. Sedangkan resultan momen pada sumbu Mx, My, dan Mz sebesar 341 lb, 623 lb, dan 336 dengan allowable nozzle load sebesar 1763 lb, 2892 lb, dan 2292 lb. Dari nilai resultan gaya dan momen tersebut keduanya masih kurang dari batasan gaya dan momen yang dizinkan sehingga nozzle tersebut aman saat beroperasi. ISBN No. [6] Farhani. Habibah, Heroe Poernomo dan Pekik Mahardhika (2019). Desain Penambah Jalur Perpipaan Tie-in Point Akibar Penambahan Deliquidizer. In: PPNS (Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya), 3rd Conference On Piping Engineering and Its Application (CPEAA) 2019. Surabaya, Indonesia 23 September 2019. Indonesia: Surabaya. [7] Kannappan, Sam. (1986). Introduction to Pipe Stress Analysis. John Wiley & Sons, Inc., U.S.A. [8] Jamaludin,Achmad, Jurnal 2016, Analisis Tegangan Sistem perpipaan pada sisi Tekan Pompa P-003E Menggunakan CAESAR II dan Perhitungan Manual. [9] Nayyar,M.L.(2000). PIPING HANDBOOK. U.S.A; Mc Graw Hill Inc. [10] TIJARA PRATAMA. (2004). ANALISA DASAR PELATIHAN TEGANGAN PIPA. Jakarta : TIJARA PRATAMA Inc. 5. DAFTAR PUSTAKA [1] ASME B31.3-2016. Process Piping. ASME Code for Pressure Piping B31. The American Society of Mechanical Engineering. U.S.A. [2] Chamsudi, Achmad. (2005). Piping Stress Analysis. Badan Tenaga Nuklir Nasional PUSPITEK, Serpong. [3] Guyen, M R, Heroe Poernomo, dan Pekik Mahardhika (2018). Analisa Tegangan New Critical Line Pipe dari Discharge Compressor Scrubber Train menuju Tie In Point Existing MP Gas Scrubber Pipe pada sistem CO2 Removal Di Fasilitas Produksi Cilamaya Utara . In: PPNS (Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya), 2nd Conference On Piping Engineering and Its Application (CPEAA) 2018. Surabaya, Indonesia 23 September 2018. Indonesia: Surabaya. [4] Hasan. M. Pekik Mahardhika dan Emie Santoso.. 2017. Desain Expansion Loop Pada Line 116sv203-150-16h20 Faty Acid Destilation Pt.Wilmar Nabati Indonesia. In: PPNS (Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya). 2nd Conference On Piping 59